受电弓融冰技术的研究方法综述

陈 惠 曹志华（湖南高速铁路职业技术学院，湖南 衡阳 410002）

受电弓融冰技术的研究方法综述

陈 惠 曹志华
（湖南高速铁路职业技术学院，湖南 衡阳 410002）

文章归纳了电力机车上受电弓的覆冰类型及其形成条件，针对受电弓覆冰问题，总结和归纳了受电弓的除冰方法。其次从经济投入、可靠性（对系统的影响）及操作难易度三个指标分析了各种除冰方法的优缺点。最后对各种除冰方法进行了总结，对以后受电弓的设计及运行维护都有重要的指导意义。

受电弓；除冰；铁路供电

受电弓是电力机车上的重要设备，是电力机车获取电能的直接设备，南方冬天的冻雨天气，极易使受电弓覆冰。当受电弓在覆冰状态升弓时，很可能会因为升弓机构冻结后失去弹性，无法正常升弓。若受电弓不能正常升弓受电，这势必会造成列车晚点，沿线车站旅客滞留，给人们的出行带来极大的不便[1]。

为了缓和上述问题，本文归纳了两大类 5种受电弓的除冰方法原理：（1）机械人工除冰方法；（2）机械外部振动法；（3）热力直流融冰方法；（4）热力交流融冰方法；（5）热力激光融冰方法。分析比较了各种方法的优缺点，本文从经济性、可靠性（对系统的影响）及操作难易程度出发，从而选出最适合受电弓除冰的最佳方法。

1 受电弓覆冰分析

受电弓是电力机车上直接受电的高压电气设备，对环境要求极高。在受电弓取流的时候，由于受电弓有电流通过的热力效应现象，此时受电弓是不会结冰的，但若在无电通过时，受电弓在冬天的冻雨天气，极易使受电弓覆冰[2]。经过现场调研发现，当天气发生变化，气温在0℃以下的天气，电力机车上的受电弓100%会覆冰，2℃～3℃的阴雨天气时，30%～50%的受电弓会覆冰，主要影响受电弓升降的机构是铰链机构和升弓装置结冰，导致受电弓无法正常升、降弓。覆冰的结构主要有三以下种形式[2]：

（1）密度为600～900kg/m2的坚硬透明或半透明的覆冰；

（2）密度为600～900kg/m2的薄层结晶的白霜；

（3）密度为600～900kg/m2的冰霜混合物。

2 机械除冰方法

这种方法都是借助外力作用于受电弓的覆冰部位，通过破坏受电弓上覆冰的受力平衡状态使其脱落，达到除冰的目的[3]。

2.1 机械人工除冰

该方法是由检修操作者采用相应的除冰工具（如锤子、榔头等）在现场手工除冰，这是目前采用的除冰方法，也是最原始的方法。该方法除冰的特点是：

（1）经济性高。经济投入低，耗能小，仅需购置一些低值耐用的除冰工具（如榔头、锤子等），经济性指标评为“高”；

（2）可靠性高。因没有附加的设备和操作，不会影响到受电弓系统的安全性，可靠性指标评为“高”；

（3）操作难。操作困难，既不安全，效率也低下，有时需要大量人力，严重影响受电弓的安全运行，操作性指标评为“难”。

2.2 机械外部振动除冰

该方法类似于机械人工除冰，外部振动法借助振动器使覆冰部件振动来达到除冰的目的[3]。该方法除冰的特点是：

（1）经济性中等。经济投入一般，耗能一般，购置专用的振动设备，需要投入一定的费用，经济性指标评为“中等”；

（2）可靠性低。对系统的影响较大，外部振荡器在对受电弓覆冰处进行振动时，会严重影响受电弓装置系统的紧固性，会严重影响到受电弓系统的安全性，可靠性指标评为“低”；

（3）操作难。由于灵敏系数高，操作困难，设备携带不便，既不安全，效率也低下，严重时会影响受电弓的安全运行，操作性指标评为“难”。

3 热力融冰方法

纵观多年来各国专家学者的研究成果，可以说热力融冰是目前最主要和最有效的抗冰除冰方法。热力融冰利用的是电流通过导线时会产生焦耳热的原理，利用各种技术，以增加输电线路中的电流密度或者其他方式，使导线自身产生足够多的热量，以避免冰雪的覆积或使已有的覆冰融化脱落。热力融冰时，位于导线上方的冰最先融化。当融化到一定程度后，借助自身所受重力的作用，覆冰成块脱落，达到融冰的目的。所以在相同气候条件下，重载时受电弓覆冰较轻或不覆冰，轻载时受电弓覆冰较重。

3.1 交流融冰方法

交流融冰技术是以交流电作为融冰电源，通过流过线路的交流电产生焦耳热来加热导线时覆冰融化脱落[5]。交流电流法是最早使用的热力融冰技术。根据受电弓的具体结构，受电弓适合采用系统停电状态的交流融冰法，即短路融冰法。其基本思路是在受电弓停运时，将覆冰系统的一端两相或三相短接或者与架空地线短接构成回路，在另一端注入融冰所需的交流电流来进行线路融冰。这种方法也是需采用另外的一套交流供电装置，需要高额附加费用。该方法除冰的特点是：

（1）经济性低。经济投入较高，根据负荷的情况，需投入一笔采购交流融冰电源装置的费用，且该电源装置的容量与负荷要保持一致，经济性指标评为“低”；

（2）可靠性高。该交流融冰装置对受电弓装置的影响较小，且融冰安全有效，不会影响到受电弓系统的安全性，可靠性指标评为“高”；

（3）操作易。由于该方法的操作都是自动化的，操作容易，安全系数高，不会影响受电弓的安全运行。操作性指标评为“易”。

3.2 直流融冰方法

直流融冰法使用直流电进行受电弓的融冰。相比于交流除冰法，直流融冰最大的特点是融化期间仅覆冰受电弓的直流电阻起作用，线路的感抗不会消耗功率。因此，在相同的融冰条件下可大大减轻对于融冰电源容量的限制。此外，直流电流是利用交流电通过整流装置得到，由于采用了大功率的电力电子装置，可以灵活的调节敲冰电压和电流，因此适应性更强。根据受电弓的实际情况，可以充分利用电力机车上的110V直流蓄电池作为电源装置。该方法除冰的特点是：

（1）经济性高。经济投入较低，可以充分利用电力机车上的110V直流蓄电池作为直流电源。仅根据实际情况添加一些传输导线。经济性指标评为“高”；

（2）可靠性高。该交流融冰装置对受电弓装置的影响较小，且融冰安全有效，电压等级低、安全，不会影响到受电弓系统的安全性，可靠性评为“高”；

（3）操作易。由于该方法的操作都是自动化的，操作容易，安全系数高，不会影响受电弓的安全运行。操作性指标评为“易”。

3.3 激光融冰方法

激光融冰方法是依据激光具有高能量、功率的特点，当激光作用在冰层时，激光相当于热源，使冰块慢慢融合，达到融冰的目的[6]。但不同波长的激光功率不一样，激光效果也不一样。激光功率与融穿效果成双曲线图形，如图1所示。

图1 不同激光功率的融穿时间曲线

该方法除冰的特点是：

（1）经济性低。经济投入高，由于激光融冰装置是新型设备，价值高，未大范围使用。经济性指标评为“高”；

（2）可靠性中等。由于激光技术是门新技术，且技术可靠性有待验证；其次该电气设备容易损坏，影响受电弓系统的安全性；最后，该方法的功率受限，通过上图可以看出当激光功率大于70的时候，融穿的时间并未增加，达到一定的极限。这项可靠性评为“中等”；

（3）操作难。由于灵敏系数高，操作困难；其次激光携带高热量、高功率，如发生偏差极易损坏受电弓的其它设备。严重影响受电弓的安全运行，这项评为“难”。

4 结论

通过对上述五种受电弓的融冰方法分析得出融冰效果表，如表1所示。

表1 五种受电弓融冰方法的效果对比表

根据采用经济性高、可靠性高、操作难度易的优先原则，不难发现直流融冰技术是最适合受电弓融冰的方法，其次是机械人工除冰。机械外部振动除冰和激光除冰对受电弓覆冰不太适合。本文通过对受电弓融冰方法的研究发现，技术先进不一定是最好的，要结合具体的融冰对象去分析。

[1] 刘刚,赵学增,姜世金,等.架空电力线路防冰除冰技术国内研究综述[J].电力学报,2014(4):335-342.

[2] 吴积钦.受电弓与接触网系统[M].成都:西南交通大学出版社,2010.

[3] 刘琨,刘念.电力系统冬季除冰和防冰问题的研究[J].四川电力技术,2008,31(4):39-42.

[4] 李刚,邰毅.电力系统较为常用的线路融冰方法[J].科技专论,2013(5):275.

[5] 申屠刚.电力系统输电线路抗冰除冰技术研究进展综述[J].机电工程,2008,25(7):72-75.

[6] 郭焕辉.架空线路交流誠冰技术的研究[D].保定:华北电力大学,2015.

[7] 薛亮,黄茜.激光技术在电力工程中的应用[J].上海电力学院学报,2014,30(4):383-387.

A review of research methods on pantograph ice–melting technology

The types and forming conditions of icing on the pantograph of electric locomotive are summarized in this paper, in view of the pantograph icing problem, the deicing methods are summarized. Secondly, the advantages and disadvantages of various deicing method were analyzed from economic input, (effect) on the system reliability and the operation difficulty level three indicators, finally, the ice removal methods are summarized, design of pantograph and operation maintenance has important guiding significance in the future.

pantograph; deicing; railway power supply

U264

A

1008-1151(2016)11-0034-02

2016-10-10

湖南省教育厅科学研究项目（15C0318）。

陈惠（1969－），女，湖南衡阳人，湖南高速铁路职业技术学院副教授，硕士，研究方向为铁道供电技术。

曹志华（1988－），男，湖南高速铁路职业技术学院助教，研究方向为铁道供电技术。